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열에 대한 물의 반응 1)
james (218.♡.115.134)
08-06-10 00:00
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열에 대한 물의 반응 1)
(1)열용량: 물의 극성분자는 물에게 열과 관련된 중요한 특징을 부여하며, 물은 자연적으로 발생하는 물질들(암모니아는 몇 개 안 되는 예외 중의 하나임)중에서 가장 높은 열용량(heat capacity)을 가지는 것으로, 열용량은 한 물질에 주어진 양의 온도를 변화시키는 데 더해져야 하는 열의 양을 측정하는 단위이며, 예를 들어 물과 비교하여 공기는 열용량이 아주 낮고, 이것이 바로 24도C가 공기 중에서는 따듯하고 편안하나 수중에서는 빨리 추워지고, 편하지 않는다 든지 그 이유가 되며, 공기는 같은 물의 온도가 할 수 있는 만큼 여러분의 체온을 빨리 빼앗아 갈 수 없습니다.
높은 열용량은 물의 극성결합에서 비롯되며, 물을 데울 때 열이 물 분자의 운동에너지(온도)를 증가시킬 수 있기 전에 엄청난 양의 열 에너지가 이 결합을 먼저 깨뜨려야 하고, 극성 때문에 물은 다른 흔한 액체보다 더욱 느리게 증발하며, 이 현상은 높은 기화열(heat of vaporization)을 가지기 때문으로 설명할 수 있습니다. 물이 증발하기 위해서는 분자들의 극성결합을 깨뜨릴 수 있도록 충분한 열 에너지가 도입되어야 하기 때문에 높은 기화열이 발생하며, 이 말은 물이 얼어붙을 때 많은 양의 열을 방출한다는 말이자, 얼음이 녹을 때 물은 많은 양의 열을 흡수하고, 이 역시 물의 극성 성질 때문에 기인합니다.
물의 높은 열용량 때문에 물은 세계의 기후를 온화하게 하는데 있어서 아주 중요한 역할을 하고, 주요 대양의 조류는 따뜻한 적도지방의 열을 극지방에 가까운 차가운 지역으로 운반하며, 이 과정이 열대지방은 너무 덥지 않고 고위도 지방은 따뜻하게 만들어줍니다. 이 좋은 예는 버뮤다로 이곳은 미국의 노스캐롤라이나와 같은 위도에 있음에도 불구하고 멕시코 만류의 영향으로 온화한 열대성 기후를 즐길 수 있고, 또 다른 예는 남미 에쿠아도르 태평양 바깥쪽의 갈라파고스 제도인데, 이 섬 주변의 차가운 심해조류 용승이 이 지역 대기의 뜨거운 열을 흡수하며, 이로써 섬들은 적도 근처에 위치함에도 불구하고 선선한 날씨를 즐기게 해 줍니다.
물의 열용량은 왜 수역 안의 수온 차이가 항상 같은 양의 공기 안의 기온차이보다 적은지, 그리고 왜 물의 수온이 변화하는데 시간이 오래 걸리는지 설명해 주며, 다이빙을 몇 주에 걸쳐 할 때 알아차릴 수 있는데, 공기 중 기온은 수 차례에 걸쳐 더워지거나 차가워질 수 있는 반면에 수온의 변화는 상대적으로 적습니다.
(2)물과 얼음: 물과 열은 “전형적인”물질과는 또 다른 방법으로 상호작용하며, 대부분의 다른 액체들이 식음에 따라 밀도가 높아지고 고체화 되고, 이 액체의 고체화는 분자들이 느려지고 더욱 가까워지는 것으로 말할 수 있으며, 액체는 온도가 낮아지면서 더욱 밀도가 높아지게 됩니다. 고체로 바뀌면서 여전히 밀도가 높아져 만들어진 고체는 액체의 바닥으로 가라앉고 모이게 되어 액체는 바닥으로부터 고체화 됩니다.
물은 이와 다르게 그리고 이것은 우리에게 이득이 되는데, 물은 식으면서 다른 액체들과 마찬가지로 더욱 밀도가 높아지나 오직 4도C에 도달할 때 까지만 그러하며, 이 시점에서 물은 얼음으로 고체화되기 시작하나 극성분자들은 분자들을 액체로서보다 더 많은 공간은 차지하는 얼음결정체로 만들게 되어, 이 말은 다른 물질들과는 달리 액체 형태보다 고체 형태로 더욱 밀도가 높은 고체의 물(얼음)은 액체인 물보다 밀도가 덜하게 되고, 이는 얼음이 뜨는 이유가 됩니다. 얼음 다이빙을 가능하게 만드는 것 이외에 이 특징은 세계 기후에 큰 영향을 미치고, 떠 있는 얼음은 얼음 아래 물의 열을 유지하게 하여 다른 액체에 비해 얼어붙는 속도를 늦추게 되며, 만약 얼음이 뜨지 않고 가라앉는다면 대양의 엄청난 부분들이 얼어붙은 고체가 되어 있을 것으로, 아니 대부분의 지구의 물은 얼어붙어 있을 것입니다.
(3)밀도 성층: 물은 빙점 가까이 도달하기까지 전형적인 액체처럼 행동하며, 그래서 액체 상태에서 차가워 지면서 밀도가 높아지고, 물은 다른 밀도에 따라 다른 층을 형성하고 밀도가 높은 물이 낮은 물 아래 자리하게 되며, 깊은 바닷물이 얕은 물보다 더 추운 이유가 여기에 있고, 밀도에 따라 물의 층이 형성되는 것을 밀도 성층(density stratification)이라고 하며, 한 층에서 다른 층으로 하강할 때 보통 수온의 하락을 경험하게 되는데, 이미 아시다시피 다른 수온으로 형성된 다른 층들의 전이를 수온 약층(thermo cline)이라고 부르며, 잔잔한 육지 호수와 인공호수 또는 스쿠바몰에서 진행되는 동해안 다이빙여행에서 쉽게 경험할 수 있습니다. 18미터의 얕은 수심에서도 두 세 개의 다른 수온층/밀도층을 뚫고 하강하게 될 경우도 있습니다.
용해된 물질(소금물의 소금처럼)역시 물의 밀도를 증가시키고 밀도 성층을 만들어내며, 만약 충분한 용해된 물질이 있다면 따뜻한 물 층이 차가운 물 층보다 더 밀도가 높아 더 낮게 자리 잡게 되는데, 이 좋은 예는 멕시코의 유타칸 반도에 있는 물로 채워진 동굴로서, 그곳에서 동굴 다이빙할 때 종종 차가운 민물에서 따뜻한 소금물로 뚜렷한 전이를 하강 시 경험할 수 있고, 이 민물 층과 소금물 층의 변화를 염분약층(halo cline)이라고 합니다.
(4)열의 전도: 열과 물의 관계를 이해하려면 열과 기온의 차이를 먼저 이해해야 하고, 흔히 우리가 이 두 개의 용어를 섞어서 사용하기도 하나 이 두 가지는 같은 것이 아니며, 열은 주어진 질량 안의 분자들의 운동에너지 총량을 가리키고, 온도는 그 질량 안의 분자 움직임의 평균 도를 측정하는 단위이며, 여러분이 온도가 같은 큰 질량과 작은 질량의 물을 가지고 있다고 가정해보면, 비록 온도가 같고 같은 물질이기는 하지만 큰 질량의 경우 더 많은 분자들이 그 안에 움직이고 있기 때문에 비교적 더 많은 열을 가지게 됩니다.
비슷하게 두 개의 다른 물질 역시 같은 온도를 가진다 해도 다른 열의 총량을 가질 수 있고, 공기와 물을 비교할 때 방 온도의 공기를 담은 주전자를 95도C의 스토브에 넣어둔다고 가정하면, 주전자 안의 공기는 95도C의 온도까지 빨리 데워질 것이고, 이와 같은 것을 물을 담은 주전자에 실행한다면 95도C까지 도달하는데 훨씬 오랜 시간이 걸릴 것입니다. 이것은 같은 부피의 물을 같은 온도에 도달하게 하는데 더욱 많은 열이 필요하기 때문으로, 두 개의 같은 질량을 가진 물과 공기가 있다면 같은 양에 온도를 올리는데 공기에 필요한 것보다 물에 약 4배의 열이 더 필요하며, 이를 똑같이 물과 공기의 부피에 적용한다면 물의 수온을 올리는데 3200배의 열이 더 필요하게 됩니다.
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참고문헌: Instructor Manual(PADI)
The Encyclopedia of Recreational Diving(PADI)
Diving Knowledge Workbook(PADI)
Divemaster Manual(PADI)
스쿠바몰(그린피스) 코스디렉터 강 정훈
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